同濟大學開發(fā)出3D打印機器蜻蜓

蜻蜓具有極其出色的飛行性能，能忽上忽下、忽快忽慢、空中懸停，甚至做一百八十度的急轉(zhuǎn)彎飛行, 讓多數(shù)鳥類望塵莫及，故有“飛行之王”的美譽。近日，同濟大學研究沈海軍教授團隊針對一種常見的蜻蜓 — 碧偉蜓展開了包括計算機建模、風洞試驗、撲翼機制作在內(nèi)的一系列仿生研究工作，并于本月初成功借助3D打印技術(shù)成功研制出了一架仿生微型電動遙控機器“蜻蜓”，同時進行了初步試飛。

據(jù)南極熊了解，這只機器蜻蜓的設(shè)計制作過程如下：首先，研究團隊分析了蜻蜓的身體構(gòu)造，然后采用CAD軟件對其進行了3D數(shù)字建模，最后通過3D打印機打印出了其3D實體模型。

在設(shè)計階段，研究人員根據(jù)蜻蜓的體態(tài)特征簡化了翅膀、翅脈、頭部、足部、胸部以及腰身部。他們結(jié)合撲翼飛機特點，設(shè)計并繪制出了相應的仿蜻蜓飛機的機翼、機身、起落架、發(fā)動機架等部件CAD模型；其中，蜻蜓的尾端被巧妙地設(shè)計成了飛機的方向舵。有了CAD模型，將其轉(zhuǎn)化為STL文件格式，便可依次在3D打印機中打印出仿蜻蜓飛機的頭部、翅膀、足以及身體等撲翼機部件。

給蜻蜓撲翼機選配動力和電子裝備非常重要。根據(jù)以往的經(jīng)驗，研究人員精心挑選了7mm直徑的有刷電機和相應的減速組作為動力，3.7伏特的的鋰電池作為能源；發(fā)射/接收裝備選擇紅外二通控制。其中，一個通道控制蜻蜓機翼的撲打頻率，即飛行高度與速度，另一通道控制蜻蜓的航向。蜻蜓的方向舵選用自制的4mm線圈直徑的微型電磁舵機。

將上述3D打印的“蜻蜓”部件、動力和電子裝備組裝起來，并在”蜻蜓”翅脈上鋪設(shè)0.1mm的聚乙烯塑料薄膜，一個遙控的機器“蜻蜓”便基本完成，見圖2。完成后的機器“蜻蜓”總重15克，翼展15cm，身長16cm。在加電和遙控下，蜻蜓的一對翅膀交互拍打，產(chǎn)升力和拉力；尾部的電磁舵可左右自如偏轉(zhuǎn)，控制蜻蜓的航向。

為了確保動力系統(tǒng)與氣動性能相匹配，加裝了動力系統(tǒng)的3D打印機器“蜻蜓”在同濟大學微小飛機實驗室的風洞中進行了吹風實驗。測試結(jié)果顯示，該動力系統(tǒng)可產(chǎn)生十余克的升力和拉力，滿足“蜻蜓”飛行的動力要求。這里，值得一提的是，本次實驗所使用的風洞很特別，是不久前該實驗室1:1成功復原的100余年前萊特兄弟所使用的風洞。該風洞原來的升力/阻力機械天平目前已被改造成了精度更高的電子天平。

3D打印機器“蜻蜓”進行風洞測試

在自然界千萬年的進化中優(yōu)勝劣汰，禽類、昆蟲、飛魚等動物練就了高超的飛行本領(lǐng)。相比之下，人類的航空史僅有百十年，因此，人類要自由翱翔，還有許多地方需要向動物學習。目前，利用三維打印技術(shù)，同濟大學已相繼成功研制了飛鳥撲翼機、仿生飛魚滑翔機、機器蜻蜓等等。三維打印技術(shù)的出現(xiàn)，能夠幫助我們揭示更多自然界中動物飛行的奧秘，為人類探究動物飛行增加了一種新的手段。

延伸閱讀：《以假亂真！日本愛好者利用3D打印制作出仿生學撲翼機》

轉(zhuǎn)自科學網(wǎng)沈海軍教授博客